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Die elektrische Masse
Erfahren Sie, was die elektrische Masse ist, wie sie gesetzlich geregelt ist und welche Besonderheiten es gibt.
Was ist die elektrische Masse?
In rechtlicher Hinsicht ist die Masse gemäß dem Dekret Nr. 88-1056 vom 14. November 1988 :
"Der leitfähige Teil eines elektrischen Betriebsmittels, der von einer Person berührt werden kann, der normalerweise nicht unter Spannung steht, aber bei einem Isolationsfehler der aktiven Teile dieses Betriebsmittels unter Spannung stehen kann".
Es handelt sich also um einen leitenden Teil eines Stromkreises, einer Gruppe von Stromkreisen oder auch einer Struktur oder einer Gruppe von Metallstrukturen, dessen elektrisches Potenzial null sein muss. Das heißt, dass man an diesem leitenden Teil eine elektrische Spannung messen kann.
Daher ermöglicht die Erdung den Potenzialausgleich zwischen den verschiedenen Geräten und Metallstrukturen, die sich innerhalb eines Gebäudes oder eines Fahrzeugs befinden. Das heißt, dass jedes Gerät und jedes Metallgehäuse, das sich darin befindet, mit den anderen Geräten und Rahmen verbunden ist und dass - durch diese Verbindung - alle auf die gleiche Bezugsspannung gebracht werden. Damit diese Spannung auch bei einem elektrischen Fehler in einem der Geräte gleich null bleibt, muss die Gesamtheit dieser miteinander verbundenen Massen geerdet werden.
Die Erdung ermöglicht es, die Gefahr von Stromschlägen in Industrieanlagen, Haushalten und anderen Einrichtungen (z. B. in Fahrzeugen) auszuschließen oder zumindest zu verringern. Jeder Raum in einem Gebäude muss daher mit Erdungsanschlüssen ausgestattet sein, an die auch Wasserleitungen, Dachrinnen, Stahlkonstruktionen, Bewehrungen von Betonkonstruktionen usw. angeschlossen werden sollten. Alle diese Metallmassen müssen miteinander verbunden werden, um eine elektrische Masse zu bilden, die ihrerseits mit einem Erdungspunkt verbunden werden muss.
Die Erdung ist jedoch nicht immer möglich, z. B. bei bestimmten Fahrzeugen: Bei einem Boot hat der Rumpf lediglich Kontakt mit dem Wasser, wodurch er auf Nullpotential gebracht wird. An Bord eines Autos, Lastwagens oder Zweirads gibt es keine Erdung. Deshalb kann man beim Einsteigen oder Aussteigen einen elektrischen Schlag spüren. Dies kann jedoch durch die Verwendung eines antistatischen Drahtes oder Erdungsbandes behoben werden, mit dem das Fahrgestell des Fahrzeugs mit dem Boden verbunden wird, um es auf ein Nullpotenzial zu bringen. Schienenfahrzeuge sind durch den Kontakt mit der Schiene ständig geerdet. In Flugzeugen ist eine Erdung natürlich nicht möglich, aber vor dem Ein- oder Aussteigen wird der Rumpf mit dem Boden verbunden, um ihn auf Nullpotential zu bringen. Dasselbe gilt für das Befüllen eines Tankwagens, um einen Brand oder eine Explosion zu vermeiden.
Um den Unterschied zwischen Masse und Erde zu verstehen, muss man wissen, dass die Masseverbindung den Potenzialausgleich ermöglicht, d. h. mehrere Geräte, Schaltkreise und Metallstrukturen auf das gleiche Potenzial bringt, während die Erde dieses Potenzial auf null Volt hält. Die Masse ist also eine technische Notwendigkeit, während die Erdung ein Gebot der Sicherheit ist.
Elektrische Symbole für Masse und Erde
Gemäß den elektrischen Normen, sei es in der Gebäudeelektrik, bei Haushaltsgeräten, in der Elektronik oder in der Industrieelektrik, wird für die Verbindung mit der Masse grün-gelber Draht verwendet, ähnlich wie bei der Erdung. Es können jedoch auch nicht ummantelte Drähte oder blanke Metallgeflechte verwendet werden, da diese Übergänge normalerweise keine elektrischen Ladungen tragen oder im gegenteiligen Fall deren direkte Ableitung in den Boden ermöglichen sollten.
Dies ist auch der eigentliche Zweck von Erd- und Masseschaltungen: Elektrizität wählt immer den direktesten und am wenigsten widerstandsbehafteten Weg zur Erde. Aus diesem Grund kann man ein Gerät, das geerdet ist, bei einem elektrischen Fehler berühren, ohne eine Entladung zu spüren - und somit ungefährlich -, wenn es gut geerdet ist.
Wie man ein Gerät erdet
In einem mit Gleichstrom betriebenen Stromkreis wird immer einer der beiden Stromversorgungsdrähte mit dem Metallgehäuse des Geräts verbunden, d. h. mit der Masse: Nach der Konvention ist dies immer der negative Draht, während der positive isoliert ist. Elektronische Geräte, die aus mehreren voneinander abhängigen Schaltkreisen bestehen, benötigen diese Masse als Potenzialreferenz, um richtig funktionieren zu können.
Bei Wechselstrom sind sowohl die Phase als auch der Neutralleiter isoliert und somit nicht mit der Masse verbunden. Nur das Gehäuse des Geräts ist mit dem Erdungspunkt der Steckdose verbunden.
Beispiele für Anwendungen
Filtern von unerwünschten Signalen
Ein konkreter Fall für die Nützlichkeit der elektrischen Masse - immer vorausgesetzt, sie ist geerdet - ist die Filterung von Sinussignalen durch einen sogenannten "Tiefpassfilter". Dieser Filter blockiert unerwünschte hohe Frequenzen, indem er sie mit der Masse kurzschließt, während er gleichzeitig die niedrigen Frequenzen durchlässt, die man behalten möchte (daher der Name). Diese sehr einfache Schaltung besteht aus einem Widerstand R, der in einem Stromkreis in Reihe geschaltet ist, und dann aus einem Kondensator C, der im Nebenschluss geschaltet ist. Die Berechnung dieses Filters ergibt sich aus der Formel :
fc = 1/ 2 ¶ RC
fc ist die Grenzfrequenz, ausgedrückt in Hertz. Der Wert des Widerstands R wird in Ohm und der Wert des Kondensators C in Farad angegeben. 2 ¶ wird auf 6,28 gerundet.
Mit dieser Art von Filter kann man z. B. ein hohes Pfeifen in einer Audioschaltung unterdrücken oder harmonische Frequenzen aus einer Stromversorgungsschaltung entfernen. Es gibt auch andere Zellen, die tiefe Frequenzen unterdrücken (Hochpassfilter), sowohl hohe als auch tiefe Frequenzen unterdrücken (Bandpassfilter) oder bestimmte Frequenzen herausfiltern, während andere, tiefere und höhere Frequenzen durchgelassen werden (Sperrfilter).
In jedem Fall müssen die unerwünschten Frequenzen zur Erde abgeleitet werden, was unbedingt eine vorherige Verbindung zur Masse erfordert. Andernfalls würden diese unerwünschten Signale in der Schaltung stagnieren, was eine unwirksame Filterung bedeuten würde und in manchen Fällen sogar eine Gefahr darstellen könnte.
Die Verbindung mit Masse und Erde ist zwar kein wirklicher Bestandteil der Filterzellen, aber eine zwingende Ergänzung, damit sie richtig funktionieren.
Eliminierung von Strahlung, Störströmen und Hochfrequenzen durch die Erdabschirmung
Eine Erdungsabschirmung ist eine geerdete Metallhülle, die bestimmte elektronische Schaltkreise umgibt, um sie entweder vor Störstrahlung zu schützen oder um zu verhindern, dass diese Schaltkreise selbst Störsignale aussenden. Um wirksam zu sein, muss die Erdungsabschirmung mit einem elektrischen Erdungsnetz verbunden sein, das wiederum mit der Erde verbunden ist.
Einige elektrische oder elektronische Anlagen können von Natur aus unerwünschte Signale erzeugen, die andere Anlagen in der Nähe stören.
Ein bekanntes Beispiel ist die Strahlung, die von Hochspannungsleitungen und den dazugehörigen Transformatoren erzeugt wird. Das Passieren in ihrer Nähe kann von einem Radiogerät wahrgenommen werden und den Empfang bestimmter Frequenzen behindern. Theoretisch würde eine Masseabschirmung diese Störungen beseitigen, indem sie sie zur Erde leitet. In der Praxis ist es natürlich nicht möglich, diese Leitungen, die unter freiem Himmel verlaufen, zu isolieren. Dieses Problem wurde dadurch gelöst, dass immer häufiger höhere Radiofrequenzen - das sogenannte FM-Band - verwendet werden, die weniger anfällig für diese Strahlung sind, und zwar auf Kosten der niedrigeren Frequenzbänder, der sogenannten Groß- und Kleinwellen, die nun immer seltener verwendet werden.
Dennoch existiert die Störstrahlung nach wie vor, auch wenn sie nicht mehr wahrgenommen wird. Man hat das Problem einfach umgangen.
Ähnliche Störungen werden auch von elektronischen Netzteilen mit Schaltnetzteilen erzeugt, wie sie in Mikrocomputern verwendet werden, die aber in den letzten Jahrzehnten auch in der Unterhaltungselektronik immer häufiger eingesetzt wurden. Zu Beginn der Verwendung von Schaltnetzteilen gab es viele Probleme aufgrund von Störstrahlungen. Seitdem hat man bei der Filterung dieser Schaltungen Fortschritte gemacht (siehe Tiefpassfilter im vorherigen Absatz) und Abschirmungen, Masseverbindungen und Erdung allgemein eingeführt.
Um Probleme mit Störstrahlung zu vermeiden oder zu begrenzen, werden bestimmte Anlagen in Räumen aufgestellt, die besonders gut mit Masse und Erde verbunden sind, oder sogar in geschlossenen Metallgehäusen, die ein Erdungsnetz bilden, das gegenüber externen Signalen und Strahlung nahezu hermetisch abgeschlossen ist. Auf diese Weise wird der Effekt eines Faradayschen Käfigs erzielt.
Dies ist insbesondere in Computerräumen und Webservern, Radio- und Fernsehsendern, Transformatoren des Stromnetzes oder in Industrieanlagen usw. der Fall.
Labore für elektrische Messungen verursachen keine Störungen, sondern sind im Gegenteil empfindlich gegenüber Störungen von außen. Deshalb werden sie durch das gleiche Abschirmungsverfahren auch davor geschützt.
Optimale Masseverbindungen und elektrische Abschirmungen werden mit Hilfe von Massebändern oder Massegeflecht hergestellt. Aufgrund dieser anerkannten Wirksamkeit findet man eine Abschirmung mit Metallgeflecht in allen Kabeln, die schwache Signale übertragen und empfindlich auf elektrische Störungen reagieren. Sie bestehen aus einem zentralen Kern, durch den die Hochfrequenzsignale fließen und der von einer konzentrischen geflochtenen Abschirmung aus Kupfer oder verzinntem Kupfer umgeben ist.
Masse- und Erdungsstromkreise für den Blitzschutz
Diese Verbindung könnte durch ein elektrisches Kabel hergestellt werden, aber meistens wird Erdungsgeflecht verwendet. Das Geflecht hat den Vorteil, dass es flexibler ist und sich besser für mechanische Biegungen oder Verdrehungen eignet. Mit einem flachen Geflecht lassen sich beispielsweise zwei senkrecht zueinander stehende Flächen eines Elektrokastens oder auch der Metallrahmen eines Motors optimal mit einer anderen leitenden Struktur (Stromschiene oder -rinne) verbinden, sowie generell Ebenen, die nicht zueinander versetzt sind.
Um wirksam zu sein, muss eine Masseverbindung so kurz wie möglich sein und eine maximale Kontaktfläche haben: Aufgrund seiner flächigen Form ist das Massegeflecht der für diesen Zweck am besten geeignete Leiter.
Außerdem weist das Geflecht eine viel geringere Impedanz auf als ein Draht oder ein Kabel aus demselben Material, insbesondere bei hohen Frequenzen. Dies bedeutet einen geringeren Widerstand und damit einen besseren elektrischen Kontakt. Die Impedanz von Bandstahl ist noch geringer, aber Bandstahl ist viel steifer und bietet nicht die Flexibilität des Geflechts.
Wie werden Geräte, Schaltkreise und Metallgehäuse geerdet?
Diese Verbindung könnte durch ein elektrisches Kabel hergestellt werden, aber meistens wird Erdungsgeflecht verwendet. Das Geflecht hat den Vorteil, dass es flexibler ist und sich besser für mechanische Biegungen oder Verdrehungen eignet. Mit einem flachen Geflecht lassen sich beispielsweise zwei senkrecht zueinander stehende Flächen eines Elektrokastens oder auch der Metallrahmen eines Motors optimal mit einer anderen leitenden Struktur (Stromschiene oder -rinne) verbinden, sowie generell Ebenen, die nicht zueinander versetzt sind.
Um wirksam zu sein, muss eine Masseverbindung so kurz wie möglich sein und eine maximale Kontaktfläche haben: Aufgrund seiner flächigen Form ist das Massegeflecht der für diesen Zweck am besten geeignete Leiter.
Außerdem weist das Geflecht eine viel geringere Impedanz auf als ein Draht oder Kabel aus demselben Material, insbesondere bei hohen Frequenzen. Dies bedeutet einen geringeren Widerstand und damit einen besseren elektrischen Kontakt. Die Impedanz von Bandstahl ist noch geringer, aber Bandstahl ist viel steifer und bietet nicht die Flexibilität des Geflechts.
Das Geflecht ist also tatsächlich der Leiter der Wahl für Masseverbindungen.
Das Geflecht gibt es in Standardgrößen oder als Sonderanfertigung in verschiedenen Breiten, Längen und Stärken, je nach Größe der zu verbindenden Strukturen und den Spannungen und Strömen, die es zu übertragen vermag. Man spricht auch vom Erdkurzschlussstrom, von dem die Dimensionierung des Geflechts abhängt. Er ist unterschiedlich, je nachdem, ob das Geflecht dazu verwendet wird, den Minuspol einer Autobatterie mit der Masse zu verbinden, ob es in einer Industrieanlage oder einem Haushalt eingesetzt wird oder ob es als Blitzschutz dient.
Das Material, das für das Massegeflecht verwendet wird, ist in der Regel Kupfer, wegen seiner guten Leitfähigkeit und seiner Formbarkeit.
Um eine Oxidation zu verhindern, kann das Kupfergeflecht verzinnt werden. Es gibt auch Geflechte aus Aluminium. Dieses Material leitet weniger gut und ist mechanisch weniger flexibel als Kupfer, hat aber den Vorteil, dass es weniger abnutzbar ist. Das Aluminiumgeflecht wird weniger häufig verwendet.
Die Befestigung des Geflechts erfolgt durch eingepresste Löcher, in die Verbindungsschrauben eingeführt werden. Die Länge des Geflechts wird in der Regel durch den Abstand zwischen den beiden Löchern definiert. Der Durchmesser der Löcher ist proportional zu den Abmessungen des Geflechts und bestimmt die Größe der zu verwendenden Schrauben.
Die Form des Geflechts kann flach oder rund sein.
Je nach Verwendungszweck sind die mechanischen Eigenschaften des Geflechts daher wie folgt:
Geflechte für alle Erdungs- und Masseverbindungen sind bei MALTEP in Standardgrößen, aber auch nach Maß für Querschnitte von 6 mm² bis 240 mm² oder mehr erhältlich.
Alle unsere Artikel finden Sie auf unserer Website.
- Der Typ, runder oder flacher Zopf
- Die Maße: Länge, Breite, Dicke
- Der Abschnitt
- Die Länge zwischen den Achsen
- Der Durchmesser der Löcher
- Das Material: Kupfer, verzinnt oder unverzinnt
Je nach Verwendungszweck sind die mechanischen Eigenschaften des Geflechts wie folgt:
Geflechte für alle Erd- und Masseverbindungen sind bei MALTEP in Standardgrößen, aber auch nach Maß, für Querschnitte von 6 mm² bis 240 mm² oder mehr erhältlich.